張 政 周學(xué)軍 周媛媛 王希晨

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

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基于恒流供電的纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究*

張 政 周學(xué)軍 周媛媛 王希晨

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

通過(guò)設(shè)計(jì)縱向和橫向兩種不同網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并將整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)和各鏈路方面來(lái)考慮，分析了水下設(shè)備單元短路/開(kāi)路故障對(duì)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)供電狀態(tài)的可靠性影響。根據(jù)水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)恒流遠(yuǎn)程供電的特性，定義了系統(tǒng)、各鏈路遠(yuǎn)程供電可靠度，通過(guò)相應(yīng)供電可靠度求解方法，并結(jié)合典型實(shí)例來(lái)進(jìn)行具體分析計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的供電可靠性以及實(shí)際中的應(yīng)用意義。

恒流遠(yuǎn)程供電; 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu); 可靠性

Class Number TN915.02

1 引言

海底觀測(cè)是人類從海洋外面深入到海洋內(nèi)部研究海洋的轉(zhuǎn)折，是人類將“氣象站”、“實(shí)驗(yàn)室”放到海底，在海底建立觀測(cè)地球的第三平臺(tái)，連續(xù)、原位、實(shí)時(shí)地觀測(cè)深海和海底以下地球深部的一場(chǎng)巨變[1]。所以發(fā)展建立纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是我國(guó)經(jīng)略海洋的必然一步，水下信息網(wǎng)的各組成部分可靠度要求非常高，其中水下遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)的高可靠度更是確保水下基礎(chǔ)信息平臺(tái)正常工作的重中之重。而目前國(guó)際上所有水下信息網(wǎng)采用的供電方式有恒流供電或恒壓供電這兩種。美國(guó)-加拿大的NEPTUNE系統(tǒng)采用恒壓供電方式，恒壓供電更易實(shí)施，并有陸地上充分的理論技術(shù)作為支撐，但當(dāng)有一點(diǎn)短路時(shí)，其整個(gè)系統(tǒng)全部癱瘓，魯棒性較低；而日本在建設(shè)水下信息網(wǎng)時(shí)更多地考慮到纜系水下網(wǎng)絡(luò)在受到地震或設(shè)備故障時(shí)的影響，所以其設(shè)計(jì)的DONET系統(tǒng)采用了具有高魯棒性的恒流供電方式。

在國(guó)內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)于2009年在東海小衢山采用恒壓供電的方式建立了首個(gè)單節(jié)點(diǎn)纜系水下網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)站，并將三種海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備放置于海底[2～3]。2013年海軍工程大學(xué)搭建了國(guó)內(nèi)首個(gè)采用橫流供電雙節(jié)點(diǎn)環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

國(guó)內(nèi)目前水下信息網(wǎng)的發(fā)展還處于初級(jí)階段，涉及水下信息網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還只是在單點(diǎn)、鏈?zhǔn)江h(huán)型結(jié)構(gòu)。文章從水下設(shè)備單元短路/開(kāi)路故障對(duì)水下信息網(wǎng)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)和鏈路可靠性的影響進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證橫向拓?fù)涔╇娤到y(tǒng)的故障自調(diào)整能力。

2 基礎(chǔ)模型的建立

本文所設(shè)計(jì)的纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)橫向網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。該系統(tǒng)由岸基供電電源設(shè)備(PFE)和水下的海纜、主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)組成。其中PFE提供恒定電流，多臺(tái)PFE共同承擔(dān)遠(yuǎn)程供電任務(wù)，當(dāng)多臺(tái)PFE出現(xiàn)問(wèn)題或故障無(wú)法正常工作時(shí)，剩余幾臺(tái)甚至單臺(tái)設(shè)備可承擔(dān)供電總功率。主節(jié)點(diǎn)內(nèi)置恒流/恒流轉(zhuǎn)換設(shè)備(I/I模塊)，主要功能是對(duì)恒流進(jìn)行多路分支，保證系統(tǒng)的電流恒定，內(nèi)設(shè)保護(hù)電路，確保系統(tǒng)和水下設(shè)備不會(huì)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；次節(jié)點(diǎn)內(nèi)置恒流/恒壓轉(zhuǎn)換設(shè)備(I/V模塊)，為外接水下觀測(cè)設(shè)備提供恒定工作電壓[4]。

圖1 橫向/縱向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1(b)所示的是纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)縱向網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。其由岸基供應(yīng)電源(PFE)和水下部分組成。其岸基恒流源只由兩臺(tái)PFE組成，正常工作狀態(tài)下兩臺(tái)設(shè)備各承擔(dān)一半供電壓力，當(dāng)一臺(tái)PFE出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，供電任務(wù)全由另一臺(tái)PFE承擔(dān)?？v向拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)水下部分的組成和功能與橫向網(wǎng)絡(luò)相似。

由圖1可知，各水下設(shè)備不是單獨(dú)存在的，海纜、主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)都是相互關(guān)聯(lián)的。如某一水下單元發(fā)生故障，勢(shì)必影響系統(tǒng)中各鏈路和觀測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的可靠度[5]。而短路/開(kāi)路故障是常發(fā)性故障，因而通過(guò)研究水下設(shè)備單元的短路/開(kāi)路故障對(duì)分析橫向和縱向兩種不同網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)具有十分重要的意義。

3 遠(yuǎn)供系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析

設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)一般從功能性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性三個(gè)角度出發(fā)[6]，而水下信息網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)更要考慮設(shè)備的體積、重量、散熱、功耗等因素?？煽啃栽O(shè)計(jì)就是要在保證可靠性的前提下，使系統(tǒng)費(fèi)用最小，成本最低[7]。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，岸上設(shè)備電源的可靠性高，對(duì)其有充足的冗余備份，且故障維修較為方便簡(jiǎn)單，相較于水下設(shè)備單元，其成本和故障可以忽略，所以只考慮水下部分。

在纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，增加海纜的可靠度的代價(jià)比增加主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)可靠度的代價(jià)要小的多；次節(jié)點(diǎn)是為用電設(shè)備提供恒定電壓，增加其可靠度的代價(jià)明顯大于增加海纜的；而主節(jié)點(diǎn)控制并承擔(dān)電流分支任務(wù)，是系統(tǒng)最不可或缺的一部分，所以增加其可靠度的代價(jià)最大[8]。在對(duì)這兩種系統(tǒng)進(jìn)行比較時(shí)，可以假設(shè)： 1) 水下海纜段長(zhǎng)度相同，水下設(shè)備單元配置相同，可靠度一致； 2) 各設(shè)備單元壽命符合指數(shù)分布。

可以假定水下單元參數(shù)如表1所示。

表1 恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)水下單元參數(shù)

纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本可靠度為

(1)

其中，R系統(tǒng)表示系統(tǒng)的基本可靠度；R1、R2、R3分別是海纜、主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)的可靠度；a、b、c分別是海纜段、主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

各水下設(shè)備單元的費(fèi)用為[9]

xi=-αiln(1-Ri)+βi

(2)

結(jié)合上式可得纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總成本為

X=ax1+bx2+cx3

=(a+5b+2c)-aln(1-R1)

-5bln(1-R2)-2cln(1-R3)

(3)

其中，Ri為第i個(gè)設(shè)備單元的可靠度；xi為設(shè)備子單元費(fèi)用；x1、x2、x3為海纜段、主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)的成本。

4 纜系恒流水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的系統(tǒng)基本可靠性分析

系統(tǒng)水下供電可靠性以系統(tǒng)所有設(shè)備是否正常工作為標(biāo)準(zhǔn)。若系統(tǒng)中任意一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)短路/開(kāi)路故障時(shí)，則該供電系統(tǒng)視為故障，記作Fs，即系統(tǒng)的供電可靠度為Rs[10]。

以圖2(a)與圖3(a)為例，縱向和橫向兩個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)水下部分都包含海纜段，主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)，且數(shù)量相同，其數(shù)量可分別記為a、b、c。定義海纜段發(fā)生短路/開(kāi)路的事件分別為xi1、xi2，對(duì)應(yīng)的事件發(fā)生概率為Fi1、Fi2；主節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路/開(kāi)路的事件分別為xj1、xj2，對(duì)應(yīng)的事件發(fā)生概率為Fj1、Fj2；次節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路/開(kāi)路的事件分別為xk1、xk2，對(duì)應(yīng)的事件發(fā)生概率為Fk1、Fk2。

圖2 橫向遠(yuǎn)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各鏈路示例圖

系統(tǒng)中任意一個(gè)設(shè)備單元故障，即視為整個(gè)系統(tǒng)供電的故障，縱向和橫向兩個(gè)平臺(tái)的系統(tǒng)供電故障分別為Fs縱、Fs橫。則系統(tǒng)發(fā)生供電故障的概率為

(4)

因而系統(tǒng)的供電可靠度為

(5)

5 纜系恒流水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái) 的各鏈路供電可靠性分析

5.1 橫向拓?fù)涔╇娤到y(tǒng)各鏈路供電可靠性分析

由圖3(b)可知橫向拓?fù)涔╇娤到y(tǒng)鏈路Ⅰ由鏈路段D11、D12和D13構(gòu)成。其分別包含了a11、a12、a13個(gè)海纜段，b11、b12、b13個(gè)主節(jié)點(diǎn)和c13、c12、c13個(gè)次節(jié)點(diǎn)。設(shè)a1=a11+a12+a13，b1=b11+b12+b13，c1=c11+c12+c13。同理，鏈路Ⅱ由鏈路段D21、D22和D23構(gòu)成，鏈路Ⅲ由鏈路段D13、D31和D21構(gòu)成。鏈路Ⅰ與鏈路Ⅱ?qū)ΨQ，其可靠度相同。

圖3 縱向遠(yuǎn)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各鏈路示例圖

橫向拓?fù)涔╇婃溌发?、Ⅱ、Ⅲ中各鏈路段上的任意一個(gè)設(shè)備單元出現(xiàn)故障，則該鏈路故障，而各鏈路上的設(shè)備單元相互無(wú)影響，則計(jì)算出鏈路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ故障發(fā)生的概率和各鏈路的供電可靠度為

(6)

5.2 縱向拓?fù)涔╇娤到y(tǒng)各鏈路供電可靠性分析

縱向拓?fù)涔╇娤到y(tǒng)各鏈路與橫向拓?fù)涔╇娤到y(tǒng)各鏈路的構(gòu)成相似，但鏈路段D12的任意一個(gè)設(shè)備單元發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，造成PFE輸出開(kāi)路，鏈路Ⅱ、Ⅲ無(wú)法供應(yīng)上電力。而當(dāng)鏈路段D22大聲來(lái)路故障時(shí)，主節(jié)點(diǎn)1、2輸出開(kāi)路，鏈路段D12、D31、D32、D33和D23開(kāi)路，鏈路Ⅲ無(wú)法供應(yīng)上電力。則鏈路段D12和D22開(kāi)路故障的概率為

(7)

因而，供電鏈路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的供電可靠度為

R縱L3= 1-(F縱L3+FD122+FD222)

(8)

6 實(shí)例計(jì)算

以圖3、圖4所示的兩種系統(tǒng)為例。兩個(gè)系統(tǒng)所包含的海纜段、主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)的數(shù)量相同，a=25、b=4、c=18。假定纜系恒流水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本可靠度為0.9，可得橫向和縱向兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)所需總成本都為562，各設(shè)備單元分配的可靠度也相同。

假設(shè)海纜段長(zhǎng)度相同，設(shè)備配置一樣，各自具有相同的短路和開(kāi)路故障概率。具體參數(shù)如表3所示。

表3 設(shè)備短路/開(kāi)路故障概率

參照式(5)～(9)的方法，可計(jì)算出系統(tǒng)及各鏈路的供電可靠度。

表4 系統(tǒng)及各鏈路可靠度

由上述設(shè)備觀測(cè)設(shè)備可靠性計(jì)算可得出以下結(jié)論： 1) 系統(tǒng)供電可靠度<鏈路供電可靠度； 2) 當(dāng)某一鏈路受其他鏈路影響時(shí)，其供電受制約的因素較多，供電可靠性相對(duì)較低； 3) 在所需水下總成本相同和設(shè)備單元要求的可靠度相等的條件下，橫向拓?fù)涞倪h(yuǎn)程供電網(wǎng)絡(luò)的鏈路供電可靠性明顯高于縱向拓?fù)涞倪h(yuǎn)程供電網(wǎng)絡(luò)，說(shuō)明在水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的運(yùn)用中，相較于縱向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，橫向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的觀測(cè)設(shè)備能獲得更有效、可靠的電能供應(yīng)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文研究了水下設(shè)備單元的短路/開(kāi)路對(duì)采用橫向和縱向兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的纜系水下基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的系統(tǒng)、鏈路的供電可靠性影響，并通過(guò)結(jié)合實(shí)例的計(jì)算，得出采用橫向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)具有較高的可靠性和應(yīng)用價(jià)值。但在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，不同的供電和觀測(cè)要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的供電系統(tǒng)路線。本文所采用的橫向拓?fù)潆m然可以提高鏈路的可靠性，但其測(cè)量的縱深較小，只適用于淺海區(qū)域，無(wú)法對(duì)更深層的深海區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，所以在今后的設(shè)計(jì)中可以結(jié)合橫-縱結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)更好地滿足監(jiān)測(cè)的要求。

[1] 李春光，王瑛劍.水下信息網(wǎng)絡(luò)“三網(wǎng)合一”分析[J].光通信技術(shù)，2012(9)：16-18.

[2] 盛景荃.上海建成中國(guó)第一套海底觀測(cè)組網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)[J].華東技術(shù)，2009(7)：42.

[3] 許惠平，張艷偉，許昌偉，等.東海海底觀測(cè)小衢山實(shí)驗(yàn)站[J].科學(xué)通報(bào)，2011，56(22)：1839-1845.

[4] 王希晨，周學(xué)軍，樊誠(chéng).基于電能分支單元的海底光纜遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2011(6)：34-38.

[5] 張曉，周學(xué)軍，周媛媛，等.水下單元故障對(duì)海纜恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可靠性的影響[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)， 2015(5)：33-36.

[6] Asalawa K，Muramatsu J，Aoyagi M.Feasibility Study on Real-Time Seafloor Glove Monitoring Cable-Network Power Feeding System[C]//Proceeding of 2002 International Symposium in Under Technology.USA:IEEE press,2002：116-122.

[7] 袁柏秋.淺談?wù)\實(shí)電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中的相關(guān)問(wèn)題[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2011，18(11)：146-147.

[8] Kojima J，Howe B M，Asakama K，et al.Power Systems for Ocean Reaional Cabled Observatories[C]//The 2004 MTS/IEEE conference and exhibition on OCEANS.KOBE:IEEE press,2004:2176-2184.

[9] 曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)與分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[10] HLSAYED E A.Reliability engineering[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[11] 王希晨，周學(xué)軍，周媛媛，等.適用于海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可靠性分析方法[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(5)：186-191.

Mesh Topology of Underwater Cable Information Network Based on the Constant-Current Remote Power Supply

ZHANG Zheng ZHOU Xuejun ZHOU Yuanyuan WANG Xichen

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

This paper designs underwater cable based information platform with two different kinds of mesh vertical and horizontal topology, and considers the whole platform structure from the aspects of both the system and each path. Based on the above result, the impact which short-circuit/open-circuit problems of underwater equipment unit have on system power state of mesh topology is analyzed. According to the characteristics of constant-current remote power supply of underwater observation network, this paper defines the reliability if remote power supply reliability for both system, and each path. By using the appropriate solution for solving the reliability of power supply, this paper analyzes real problems with typical examples. The power supply reliability of two topological structures and practical applications are analyzed based on above results.

constant-current remote power supply, mesh topology, reliability

2016年5月11日,

2016年6月18日

張政，男，碩士研究生，研究方向：光通信與水下信息網(wǎng)。

TN915.02

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.034